第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 我国开展月球探测的意义 2
1.3 国外月球探测发展历程 4
1.3.1 国外早期的月球探测活动 4
1.3.2 国外近期和未来的月球探测活动 13
1.4 太阳系 17
1.5 航天系统工程 22
1.6 月球探测器的分类和系统组成 29
1.6.1 月球探测器的分类 29
1.6.2 月球探测器的系统组成 31
1.7 月球探测器的研制阶段 33
1.7.1 概念性研究阶段 33
1.7.2 可行性论证阶段 33
1.7.3 方案确定阶段 34
1.7.4 工程研制阶段 35
1.7.5 发射前准备阶段 36
1.7.6 运营和管理阶段 37
参考文献 37
第2章 月球环境 38
2.1 概述 38
2.2 月球热环境 38
2.2.1 太阳直接辐射 39
2.2.2 月球反照 40
2.2.3 月面辐射 40
2.3 月球大气 41
2.4 带电粒子辐射 42
2.4.1 太阳宇宙线（SCR,Solar Cosmic Ray） 42
2.4.2 银河宇宙线（GCR,Galactic Cosmic Ray） 43
2.4.3 太阳风（Solar Wind） 44
2.4.4 太阳扰动对月球探测器的影响 44
2.5 微流星体 51
2.5.1 NASA TN D-2747模型 51
2.5.2 NASA-CR-68189模型 51
2.5.3 NASA SP-8013模型 51
2.5.4 微流星体质量—密度分布 52
2.6 引力场 52
2.7 月球地形 53
2.7.1 月面地貌分布图 53
2.7.2 月球地形特点 53
2.7.3 月面撞击坑统计模型 56
2.7.4 月面石块统计模型 57
2.8 月尘环境 59
2.8.1 粒度分布 59
2.8.2 颗粒形态 59
2.8.3 月壤密度 59
2.8.4 相对密度 60
2.8.5 孔隙度 60
2.8.6 压缩性 60
2.8.7 抗剪性和承载力 61
参考文献 62
第3章 月球基本概况和月球探测的科学目标 63
3.1 月球基本概况 63
3.1.1 月球的运动 63
3.1.2 月球的地形地貌 65
3.1.3 月球上的水 66
3.1.4 月壤 68
3.1.5 月球的物质成分 72
3.1.6 月球内部结构 79
3.1.7 月球的起源与演化 80
3.2 中国月球探测科学目标 83
3.2.1 月球探测与研究的关键科学问题 83
3.2.2 我国月球探测的总体规划 84
3.2.3 我国绕月探测工程科学目标 84
参考文献 88
第4章 月球探测器总体设计 89
4.1 概述 89
4.2 月球探测器总体设计的一般原则 90
4.3 月球探测工程的顶层设计 91
4.3.1 月球探测工程的任务目标确定 92
4.3.2 任务需求分析 93
4.3.3 工程的具体实施步骤规划 94
4.3.4 工程各大系统总体初步可行性方案研究 95
4.3.5 工程的技术继承性与衔接性分析 96
4.4 月球探测器总体性能指标的确定和分配 96
4.5 月球探测器构形设计 101
4.5.1 月球探测器构形设计的一般原则 102
4.5.2 月球探测器构形设计过程 103
4.5.3 月球探测器外形选择 105
4.5.4 月球探测器总体布局 106
4.5.5 月球探测器的质量分配 118
4.5.6 质量特性分析 120
4.6 月球探测的飞行过程 123
4.6.1 绕月探测的飞行过程 123
4.6.2 着陆探测的飞行程序 127
4.6.3 返回探测的飞行程序 130
参考文献 131
第5章 月球探测器轨道设计 133
5.1 概述 133
5.1.1 月球的基本物理参数 133
5.1.2 月球的轨道 134
5.2 月球探测器地月转移轨道设计 135
5.2.1 二体问题近似 135
5.2.2 圆锥截线拼接法 138
5.2.3 地月转移轨道的精确求解 142
5.2.4 如何将探测器送入地月转移轨道 145
5.2.5 地月转移轨道的测量与中途修正 146
5.2.6 发射机会和发射窗口 147
5.3 月球卫星的轨道设计 150
5.4 月球探测器软着陆轨道设计 152
5.4.1 月球软着陆方式 152
5.4.2 月球软着陆过程 153
5.4.3 制动段轨道设计 154
5.4.4 接近段轨道设计 158
5.4.5 着陆段轨道设计 159
5.4.6 软着陆下降轨道的技术要求 160
5.5 月球探测器返回轨道设计 161
5.5.1 月球探测器返回轨道设计方法 161
5.5.2 月球探测器返回轨道设计理论 165
参考文献 174
第6章 月球探测器结构与机构系统 177
6.1 概述 177
6.1.1 着陆器结构 177
6.1.2 软着陆机构 179
6.2 月球着陆器结构设计 181
6.2.1 结构方案设计 181
6.2.2 结构详细设计 186
6.2.3 桁架式结构设计 189
6.3 月球着陆器结构分析与验证 192
6.3.1 月球着陆器结构分析 192
6.3.2 结构设计的验证方法 197
6.3.3 结构静强度的验证 199
6.3.4 结构动力特性的验证 200
6.4 软着陆机构设计 201
6.4.1 着陆腿的数量、构型与几何参数设计 201
6.4.2 缓冲方法的确定 203
6.4.3 缓冲器设计 209
6.4.4 其他组件方案确定 211
6.5 软着陆机构试验 211
6.5.1 静力试验 211
6.5.2 冲击试验 212
6.5.3 缓冲器性能试验 213
6.5.4 展开试验 213
6.5.5 单个着陆腿的缓冲试验 213
6.5.6 着陆腿组合缓冲性能试验 214
参考文献 214
第7章 月球探测器热控系统 216
7.1 概述 216
7.2 航天器热控系统设计基础 216
7.2.1 环境条件的影响 216
7.2.2 航天器在宇宙空间的热平衡分析 218
7.2.3 热控设计的基本依据和主要原则 220
7.2.4 热控措施的选择 221
7.3 常用的热控材料和装置 221
7.3.1 热控涂层 222
7.3.2 多层隔热材料 223
7.3.3 热管 224
7.3.4 电加热器 225
7.3.5 无源主动式热控装置 226
7.3.6 流体循环换热装置 228
7.3.7 热辐射器 229
7.3.8 同位素温差热源在热控设计方案中的应用 229
7.4 热分析计算 231
7.4.1 外热流计算 232
7.4.2 航天器温度计算 233
7.5 热平衡试验 234
7.5.1 空间热环境的模拟 234
7.5.2 热控试验星 237
7.5.3 试验工况 237
7.6 月球探测卫星热控措施简介 237
7.6.1 散热面设计和星表面多层设计 237
7.6.2 卫星内部热控设计 238
7.6.3 热管设计 238
7.6.4 温度传感器设计 238
7.6.5 电加热器 238
7.6.6 加热控制器 238
7.7 月球着陆探测器热控措施简介 239
参考文献 241
第8章 月球探测器制导、导航和控制（GNC）系统 243
8.1 概述 243
8.1.1 月球探测器的飞行方式 243
8.1.2 月球探测器GNC系统任务 244
8.1.3 月球探测器GNC系统的特点 247
8.1.4 月球探测器GNC系统的设计内容 247
8.1.5 GNC系统部件 252
8.2 月球探测器的轨道控制技术 253
8.2.1 轨道控制概述 253
8.2.2 导航 255
8.2.3 轨道预报误差分析 255
8.2.4 逃逸轨道控制 256
8.2.5 转移轨道控制 258
8.2.6 进入段轨道控制 262
8.3 月球卫星的制导、导航和控制系统 268
8.3.1 工作轨道和入轨过程 268
8.3.2 GNC系统功能 269
8.3.3 GNC系统组成 269
8.3.4 GNC系统工作模式 271
8.4 月球软着陆探测器的制导、导航和控制系统 272
8.4.1 任务概貌 272
8.4.2 功能要求 273
8.4.3 GNC系统组成 274
8.4.4 系统工作模式和方案设计 275
参考文献 282
第9章 月球探测器推进系统 283
9.1 概述 283
9.1.1 航天器推进系统简介 283
9.1.2 着陆器对推进系统的需求 284
9.2 推进系统基本原理 285
9.2.1 概述 285
9.2.2 火箭的结构 286
9.2.3 推进系统的分类 287
9.2.4 固体火箭发动机 288
9.2.5 液体推进系统 289
9.2.6 电推进系统 290
9.2.7 空间帆推进技术 295
9.2.8 磁层推进技术 297
9.3 国外典型着陆器推进系统 299
9.3.1 美国月球勘测者探测器（Surveyor） 299
9.3.2 Apollo着陆器 300
9.3.3 前苏联Luna系列月球探测器 301
9.3.4 通用月球着陆者CLL（Common Lunar Lander） 303
9.3.5 美国月球前哨站FLO（First Lunar Outpost） 304
9.3.6 乘员探索飞行器CEV（Crew Exploration Vehicle）计划 305
参考文献 308
第10章 月球探测器电源系统 310
10.1 概述 310
10.2 电源系统设计的要求 310
10.2.1 电源系统设计的基本要求 310
10.2.2 月球探测器的特殊要求 311
10.3 太阳电池阵／蓄电池组联合电源 314
10.3.1 太阳阵 314
10.3.2 贮能装置 320
10.3.3 电源控制设备 330
10.3.4 几种典型的电源系统拓扑结构 336
10.4 放射性同位素温差发电器 342
10.4.1 概述 342
10.4.2 放射性同位素热源 342
10.4.3 热源盒 344
10.4.4 温差电换能器 345
10.4.5 热辐射器 347
10.4.6 放射性同位素温差发电器的进展 348
10.4.7 空间核电源的安全 351
参考文献 351
第11章 月球探测器跟踪通信系统 353
11.1 概述 353
11.2 测控（TT＆C）技术 354
11.2.1 角跟踪和测角技术 354
11.2.2 测速技术 357
11.2.3 测距技术 360
11.2.4 遥测 362
11.2.5 遥控 367
11.3 通信技术 371
11.3.1 光机扫描成像遥感器 372
11.3.2 推扫式扫描成像遥感器 372
11.3.3 画幅式成像遥感器 373
11.4 调制和解调体制 374
11.4.1 残余载波调制体制（TT＆C） 374
11.4.2 抑制载波调制体制（高速数据率通信／数传） 376
11.4.3 调制体制和误码率（BER）、信噪比（SNR）和占用带宽（Bc）之间的关系 376
11.5 月球探测C＆T的空间段 380
11.5.1 阿波罗（Apollo）计划的跟踪、遥测、遥控和通信系统 381
11.5.2 美国克莱门汀（Clementine）月球探测器所采用的通信测控技术 384
11.5.3 美国月球勘探者号（Lunar Procpector,LP）采用的C＆T技术 385
11.5.4 前苏联／俄罗斯月球探测所用的TT＆C技术空间段 388
11.5.5 日本探月计划极月轨道器（LPO）采用的C＆T技术 391
11.5.6 日本Selene（月神号）的C＆T技术 392
11.5.7 欧空局月球探测拟采用的C＆T技术 393
11.6 月球探测C＆T的地面段 393
11.6.1 美国NASA的深空网（DSN） 394
11.6.2 俄罗斯的深空网 397
11.6.3 日本的深空站 398
11.6.4 德国的深空站 400
11.7 月球探测C＆T运行模式特点 400
11.7.1 主动段 400
11.7.2 停泊轨道段 400
11.7.3 地月转移轨道段 400
11.7.4 环月轨道段 401
11.7.5 制动月面着陆段 402
11.7.6 着陆固定勘测或移动勘测段——建立月球站 402
参考文献 402
第12章 月球探测器综合电子系统 404
12.1 概述 404
12.2 深空探测器综合电子系统的主要功能和设计特点 405
12.2.1 主要功能 406
12.2.2 设计特点 407
12.3 深空探测器综合电子系统体系结构和分层模型 407
12.3.1 集中式体系结构 408
12.3.2 分布式体系结构 409
12.3.3 分层模型 411
12.4 深空探测器综合电子系统计算机技术应用 418
12.4.1 嵌入式系统 418
12.4.2 总线技术 421
12.4.3 大容量存储技术 425
12.4.4 COTS器件应用 426
12.5 深空探测器综合电子系统功能设计 427
12.5.1 遥控遥测功能设计 427
12.5.2 时钟管理设计 427
12.5.3 深空探测器程序控制功能设计 428
12.5.4 数据处理功能设计 429
12.5.5 自主控制功能设计 429
12.5.6 综合电子系统内务管理设计 430
12.5.7 其他功能 431
12.6 深空探测器综合电子系统软件 432
12.6.1 概述 432
12.6.2 软件设计特点 432
12.6.3 软件在轨维护 433
12.7 综合电子系统集成设计和测试 435
12.7.1 航天器系统功能和信息流分析 435
12.7.2 电子系统硬件综合设计平台 435
12.7.3 星载软件开发、测试、评测、配置项管理和软硬件协同仿真平台的建设 436
12.7.4 航天器电子系统信息数据库建设 436
12.7.5 航天器电子系统故障检测验证 437
参考文献 437
第13章 月球探测器可靠性设计 438
13.1 概述 438
13.2 航天器可靠性的指标确定、分配和可靠性预计 440
13.2.1 航天器的可靠性指标 440
13.2.2 可靠性指标分配 441
13.2.3 可靠性预计 441
13.3 航天器故障预想 442
13.3.1 故障模式及其影响分析 442
13.3.2 故障树分析（FTA） 444
13.4 航天器可靠性评估（Bayes方法） 451
13.4.1 指数寿命型系统可靠度 451
13.4.2 成败型系统可靠度 454
13.4.3 正态分布下的性能可靠度 456
13.4.4 威布尔分布的性能可靠度近似解 457
13.4.5 系统可靠性评估示例 461
13.5 软件可靠性简述 462
13.5.1 软件的特点 463
13.5.2 软件的可靠性验证试验 463
13.5.3 软件的无失效考核交付试验 463
13.5.4 软件可靠性评价 464
13.6 可靠性管理简述 464
13.7 航天器可靠性发展趋势 465
参考文献 466
第14章 月球车 468
14.1 概述 468
14.2 国外相关情况 469
14.2.1 国外成功的不载人月球车、行星车 469
14.2.2 国外月球探测计划中的月球车 471
14.2.3 国外典型的地面试验车 472
14.2.4 国外探测车的启示 473
14.3 系统组成及功能 474
14.3.1 系统组成 474
14.3.2 工作程序 475
14.3.3 主要工作模式 475
14.4 月球环境的影响分析 476
14.4.1 地月几何特征分析 476
14.4.2 辐射环境效应分析 476
14.4.3 真空环境效应分析 477
14.4.4 低重力影响分析 477
14.4.5 地形地貌影响分析 477
14.4.6 月壤以及月尘的影响分析 477
14.4.7 月表温度影响分析 478
14.4.8 月面光照条件分析 478
14.5 月球车任务分析 479
14.5.1 移动类型 479
14.5.2 轮子数量 479
14.5.3 运动速度和路程确定 480
14.5.4 爬坡和越障分析 480
14.5.5 安全防护和自主导航控制能力分析 480
14.5.6 工作寿命与过夜分析 481
14.6 移动技术 481
14.6.1 移动子系统 481
14.6.2 六轮运动学分析 483
14.6.3 正反四边形悬架 488
14.6.4 月球车移动机构性能及其评价体系 492
14.7 制导、导航与控制技术 494
14.7.1 GNC系统结构 494
14.7.2 GNC硬件系统 496
14.7.3 导航与控制技术 496
14.8 月球车试验场 499
14.8.1 国外试验场情况 499
14.8.2 重力模拟 502
14.8.3 内场与外场试验 504
参考文献 504
第15章 月球探测器环境与环境试验 506
15.1 概述 506
15.2 月球探测器环境 506
15.2.1 地面环境 507
15.2.2 主动段环境 507
15.2.3 空间飞行环境 509
15.2.4 月面环境 510
15.2.5 返回环境 510
15.3 环境对月球探测器的影响 510
15.3.1 月球探测器对力学环境的结构响应 510
15.3.2 月球探测器的空间环境效应 512
15.4 月球探测器环境试验 513
15.4.1 环境试验目的 514
15.4.2 环境试验分类 514
15.4.3 环境试验的剪裁 516
15.4.4 再试验 517
15.5 力学环境试验 518
15.5.1 结构静载荷试验 518
15.5.2 正弦振动试验 519
15.5.3 随机振动试验 519
15.5.4 噪声试验 520
15.5.5 冲击试验 521
15.5.6 加速度试验 523
15.6 热环境试验 523
15.6.1 真空热平衡试验 523
15.6.2 热真空试验 524
15.6.3 常压热循环试验 525
15.7 空间环境试验 526
15.7.1 真空放电试验 526
15.7.2 真空冷焊试验 526
15.7.3 辐照试验 527
15.8 电磁兼容性试验 527
参考文献 528